CN101542147B - 滚珠花键装置 - Google Patents

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Abstract

一种滚珠花键装置，螺母构件(2)在与花键轴(1)面对的内周面上具有滚珠(3)进行循环的轨道槽(30)，轨道槽由与花键轴的滚珠滚动槽(10a、10b)相向地形成的负荷直线槽(31)、与该负荷直线槽平行设置的无负荷直线槽(32)、连通地联结这些负荷直线槽和无负荷直线槽而在它们之间使滚珠(3)往来的一对滚珠偏向槽(33)构成，滚珠偏向槽(33)强制地使在滚珠滚动槽(10a、10b)内滚动的滚珠(3)的行进方向变化，利用花键轴(1)的轮廓使滚珠(3)脱离滚珠滚动槽(10a、10b)。在花键轴(1)的滚珠滚动槽(10a、10b)的一侧，在与螺母构件(2)的滚珠偏向槽(33)相向的部位上形成了滚珠诱导面(11)，此滚珠诱导面与滚珠滚动槽(10a、10b)圆滑地连续。

Description

滚珠花键装置
技术领域
本发明涉及经多个滚珠相对地直线运动自由地组合花键轴和螺母构件，在机床和各种产业机械的直线导向部、产业用机器人中的传动部等使用的滚珠花键装置。 
背景技术
已往，作为这种滚珠花键装置，在日本实开昭61-179414号公报和日本特开昭58-137616号公报等公开的装置已被众所周知。这些滚珠花键装置由具备沿长度方向延伸的多条滚珠滚动槽的花键轴和经多个滚珠安装在上述花键轴上同时具备上述滚珠的无限循环路的螺母构件构成，并以伴随滚珠的无限循环，上述螺母构件能在花键轴的周围沿其长度方向自由地移动的方式构成。 
另外，在螺母构件上具备的滚珠的无限循环路，由滚珠一边承载作用在螺母构件和花键轴之间的载荷一边进行滚动的负荷通路、与该负荷通路平行地形成的滚珠返回通路、连结这些负荷通路和滚珠返回通路的U字状的方向转换路构成。而且，通过在负荷通路和滚珠返回通路的两端配置上述方向转换路，能构成滚珠的无限循环路。 
如果在螺母构件自身上贯通形成滚珠返回通路，则这样的螺母构件具有因壁变厚而大径化的倾向，而且在滚珠的直径小的情况下，滚珠返回孔的直径也成为小的直径，将此滚珠返回孔相对于螺母构件直接贯通形成是困难的。因此，在上述文献中所示的滚珠花键装置中，在形成为圆筒状的螺母构件的内周面和贯通它的花键轴之间的间隙中夹装了合成树脂制的保持器，由这样的保持器和螺母构件的共同，形成了滚珠返回路及方向转换路。 
另外，为了在上述负荷通路上滚动的滚珠经方向转换移动 到滚珠返回通路上，需要使这样的滚珠脱离花键轴的滚珠滚动槽。因此，在现有的滚珠花键装置中，相对于上述保持器设置了与上述方向转换路连续的滚珠升起部，在上述滚珠滚动槽内滚动来的滚珠骑上此升起部后脱离该滚珠滚动槽，被收容在由保持器和螺母构件的共同形成的方向转换路内。专利文献1：日本实开昭61-179414号公报专利文献2：日本特开昭58-137616号公报 
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在已说明的那样的现有的滚珠花键装置中，因为由保持器和螺母构件的共同形成滚珠返回通路，所以这样的滚珠返回通路至少保持器的厚度部分不得不从花键轴向其半径方向分离。另外，在保持器上形成了上述方向转换路和滚珠返回通路，为了实现其复杂的形状，由合成树脂的注射成形制作，但如果安装在螺母构件的内周面上的保持器变形了，由于这样的保持器与花键轴接触，螺母构件的运动被阻碍，所以将保持器形成得极端地薄是困难的。因此，在将保持器收容在花键轴和螺母构件之间的现有的滚珠花键装置中，螺母构件的外径将受保持器的厚度的影响，在螺母构件的小型化上存在界限。 
另外，在现有的滚珠花键装置中，使用上述保持器具备的升起部来使滚珠脱离花键轴的滚珠滚动槽，但此时，由于滚珠骑上上述升起部而上升到滚珠滚动槽的正上方，从那里进入方向转换路，所以与此相应地在螺母构件和花键轴之间需要空间，这一点也成为妨碍螺母构件小型化的主要因素。 
另外，在现有的滚珠花键装置中，由于需要保持器，而且保持器具备的升起部需要相对于滚珠滚动槽正确地定位，所以制作及组装都要花费工时，而且存在着相对组装精度而言的可靠性易受损害的问题。 为了解决课题的手段 
本发明是鉴于这样的问题做出的发明，其目的在于，提供一种能够在充分发挥原有的功能的同时，将螺母构件的外径小型化到极限，而且能够在组装不费事地廉价且简便地制造的同时，维持可靠性的滚珠花键装置。 
为了达到上述目的，本发明的滚珠花键装置，由花键轴和螺母构件构成，上述花键轴在外周面上沿轴向形成了滚珠滚动槽，上述螺母构件被形成为该花键轴贯通的大致圆筒状，经多个滚珠组装在上述花键轴上，同时，在与上述花键轴面对的内周面上具有上述滚珠进行循环的轨道槽。 
上述轨道槽，由负荷直线槽、无负荷直线槽、一对滚珠偏向槽构成，上述负荷直线槽是与花键轴的滚珠滚动槽相向地形成的负荷直线槽，形成该滚珠的负荷通路；上述无负荷直线槽与该负荷直线槽平行地设置，同时，朝向花键轴的外周面开放；上述一对滚珠偏向槽连通地连结这些负荷直线槽和无负荷直线槽，在它们之间使滚珠往来，同时，向上述花键轴的外周面开放。 
即，本发明的滚珠花键装置在花键轴和螺母构件之间不具有保持器，滚珠在形成于螺母构件的内周面上的轨道槽内进行循环，同时，在花键轴和螺母构件之间承载载荷。在构成上述轨道槽的负荷直线槽、无负荷直线槽及滚珠偏向槽之中，因为负荷直线槽与花键轴的滚珠滚动槽相向地构成滚珠的负荷通路，所以这样的负荷直线槽当然向花键轴开放，其他的无负荷直线槽及滚珠偏向槽也向花键轴的外周面开放，滚珠在与花键轴面对的状态下在上述无负荷直线槽及滚珠偏向槽的内部滚动。 
因此，滚珠的无限循环路是在与花键轴的外周面相接的状态下形成的，与具备保持器的现有的滚珠花键装置相比，只要花键轴的直径相同，就能够将螺母构件的外径小径化。这可以使使用滚珠花键装置的各种产业用机械小型化，如果从另一个观点看，则在能在各 种产业用机械中使用的螺母构件的外径已定的情况下，本发明的滚珠花键装置与现有产品比较，能够使用直径粗的花键轴，能够伴随花键轴的刚性提高的螺母构件的运动精度的提高，实现传递转矩的提高，能够有助于采用滚珠花键装置的产业用机械的能力提高。 
另一方面，在本发明的滚珠花键装置中，上述滚珠偏向槽是以下述方式构成的：强制地使在上述花键轴的滚珠滚动槽内滚动的滚珠的行进方向变化，利用上述花键轴的轮廓使滚珠脱离滚珠滚动槽，另一方面，使脱离的滚珠与滚珠滚动槽的外周面共同而向上述无负荷直线槽诱导。 
即，在本发明中，在使滚珠脱离花键轴的滚珠滚动槽之际，不像现有的那样采用由升起部使滚珠上升到滚珠滚动槽的正上方的结构，而是利用了花键轴的轮廓。通过向花键轴开放的滚珠偏向槽强制地使在滚珠滚动槽内滚动的滚珠的行进方向变化，滚珠沿花键轴的轮廓脱离滚珠滚动槽，在由花键轴的外周面和滚珠偏向轴限制滚动方向的同时向无负荷直线槽诱导。 
这样，在使滚珠脱离花键轴的滚珠滚动槽的本发明的滚珠花键装置中，不需要用于使滚珠从滚珠滚动槽上升的升起部，从将这样的升起部相对于滚珠滚动槽定位的工时中解放出来，因此，能够廉价且简便地进行制造。另外，现有的升起部，因为滚珠连续地骑上去，所以在滚珠以高速进行循环的情况下，存在变形、破损的危险，在不使用这样的升起部的本发明的滚珠花键装置中，不存这样的危险，能够提高使螺母构件相对于花键轴以高速移动时的可靠性。 
附图说明
图1是表示适用了本发明的滚珠花键装置的实施方式的局部分解立体图。图2是与图1所示的滚珠花键装置的轴向垂直的剖视图。 3是表示将螺母构件具有的轨道槽展开在平面上的状态的图。图4是构成螺母构件的螺母主体的与轴向垂直的剖视图。图5是表示构成螺母构件的端盖的立体图。图6是从花键轴的轴向观察在上述轨道槽内转动的滚珠的放大图。 
具体实施方式
下面，参照附图详细地说明本发明的滚珠花键装置。 
图1及图2是表示适用了本发明的滚珠花键装置的实施方式的图。此滚珠花键装置由被形成为截面大致圆柱状的花键轴1和在被形成为大致圆筒状的同时经多个滚珠3组装在上述花键轴1上的螺母构件2构成，并以上述螺母构件2能够在花键轴1的周围自由地向轴向往复运动的方式构成。 
在上述花键轴1的外周面上，沿轴向形成了4条滚珠滚动槽10，滚珠3在这些滚珠滚动槽10上滚动，同时，在螺母构件2和花键轴1之间承载着载荷。各滚珠滚动槽10的与长度方向垂直的截面中的形状，被形成为圆弧状，即由比滚珠球面的曲率稍大的曲率的单一圆弧构成的形状。这些滚珠滚动槽10由在螺母构件2在花键轴1的周围向箭头A方向旋转的情况下承载载荷的滚珠滚动槽10a和在向箭头B方向旋转的情况下承载载荷的滚珠滚动槽10b构成，相互邻接的滚珠滚动槽10a和滚珠滚动槽10b成为一组，在花键轴1的外周面上等间隔地形成了多个组。因此，可以在螺母构件2和花键轴1之间传递转矩。在图1及图2所示的滚珠花键装置上，在花键轴1的外周面上形成了两组4条滚珠滚动槽10，但也可以形成3组6条或者4组8条滚珠滚动槽。 
另一方面，上述螺母构件2由金属制的螺母主体4和由螺栓紧固在此螺母主体4的轴向的两端的一对端盖5构成，这些螺母主体4和端盖5都具有穿插上述花键轴1的贯通孔。另外，在螺母主体 4的外周面上形成了键槽40，以便在将螺母构件2安装在机械装置上时使用。 
这样，由螺母主体和端盖的组合而构成的螺母构件2，在面向花键轴1的贯通孔的内周面上具有用于滚珠无限循环的轨道槽30。此轨道槽30由与花键轴1的滚珠滚动槽10相向地形成在螺母主体4的内周面上的负荷直线槽31、相对于螺母主体4的内周面而言与上述负荷直线槽31稍微隔开间隔而平行地形成的无负荷直线槽32、在这些负荷直线槽31和无负荷直线槽32之间使滚珠3的滚动方向进行180度转换同时在这些槽之间使滚珠3往来的滚珠偏向槽33构成。此轨道槽30在其全域内朝向花键轴1开放，配列在轨道槽30内的滚珠3在与花键轴1面对的状态下在该轨道槽30内进行循环。 
图3是表示将上述轨道槽30展开在平面上的状态的图。构成此轨道槽30的一部分的负荷直线槽31，其与长度方向垂直的截面与花键轴1侧的滚珠滚动槽10同样地被形成为圆弧状。由于在花键轴1上形成了4条滚珠滚动槽10，所以滚珠3与花键轴1的各滚珠滚动槽10或者螺母构件2的各负荷直线槽31接触的方向，就花键轴1的圆周方向而言每90度不同。由此，螺母构件2能够在承载作用在花键轴1的轴向以外的所有的载荷的同时沿该花键轴1往复运动。 
另一方面，构成上述轨道槽30的一部分的无负荷直线槽32，是作为比滚珠3的直径稍大的通路形成的，是在朝向花键轴1的外周面开放的状态下形成在螺母构件的内周面上的。因此，滚珠3在无负荷状态即能在保持自由旋转的状态下不变地被收容在无负荷直线槽32内。另外，因为无负荷直线槽32朝向花键轴1开放，所以滚珠3能够在与花键轴1接触的同时在无负荷直线槽32的内部进行转动。 
另外，上述滚珠偏向槽33是以如下的方式构成的：具有连结负荷直线槽31和无负荷直线槽32的大致U字状的轨道，使在承载载荷的同时在负荷直线槽31内滚动来的滚珠3从载荷下解放出来，同时，使这样的滚珠3的滚动方向逐渐地变化而进行180度方向转换 地送入到上述无负荷直线槽32内。此滚珠偏向槽33是以如下的方式形成的：在与负荷直线槽31之间的连结部位中为最浅，在与无负荷直线槽32的连结部位中为最深。通过滚珠偏向槽33逐渐地变深，如果在负荷直线槽31上滚动来的滚珠3进入到滚珠偏向槽33，则这样的滚珠3从载荷下被解放出来，成为无负荷状态地在滚珠偏向槽33内向无负荷直线槽32行进，并在该状态不变的状态下进入到无负荷直线槽32内。 
如果使螺母构件2沿花键轴1移动，则被夹在花键轴1的滚珠滚动槽10和螺母构件2的负荷直线槽31之间的滚珠3以螺母构件2相对于花键轴1的移动速度V的一半的速度0.5V在负荷直线槽31内移动。在负荷直线槽31内滚动的滚珠3如果到达滚珠偏向槽33，则如上所述，因为滚珠偏向槽33的深度逐渐变深，所以渐渐地从载荷下被解放出来。从载荷下被解放出来的滚珠3被后续的滚珠3推压并在保持被推压不变的状态下在花键轴1的滚珠滚动槽10内行进，但由于滚珠偏向槽33遮挡滚珠滚动槽10中的滚珠3的滚动，强制地使滚珠3的行进方向变化，所以滚珠3由滚珠偏向槽33靠向滚珠滚动槽10的单侧，沿花键轴1的轮廓(外形)行进，直到攀上该花键轴的外周面为止。由此，滚珠3完全脱离花键轴1的滚珠滚动槽10，完全被收容在螺母构件2的滚珠偏向槽33内。 
因为展开在平面上的滚珠偏向槽33具有大致U字状的轨道，所以被收容在这样的滚珠偏向槽33内的滚珠3，进入到使其滚动方向逆转并与花键轴1的外周面相向的螺母构件2的无负荷直线槽32内。另外，在无负荷直线槽32内行进的滚珠3，进入到相反侧的滚珠偏向槽33内，在再使滚动方向逆转后，进入到花键轴1的滚珠滚动槽10和螺母构件2的负荷直线槽31之间。此时，滚珠3沿花键轴的轮廓(外形)行进而进入到滚珠滚动槽10内，随着滚珠偏向槽33逐渐变浅，从无负荷状态向载荷的承载状态过渡。 
这样滚珠3在移动部件2的轨道槽30内进行循环，与此 相伴，螺母构件2能够沿花键轴1不间断地连续地移动。 
在构成上述轨道槽30的负荷直线槽31、无负荷直线槽32及滚珠偏向槽33之中，负荷直线槽31和无负荷直线槽32被形成在上述螺母主体4的贯通孔的内周面上，图4是表示螺母主体4的与轴向垂直的截面的图，此截面形状在螺母主体4的轴向上连续。此螺母主体4的内周面的形状还包括上述负荷直线槽31及无负荷直线槽32，是由线切割放电加工形成的。关于负荷直线槽31，为了改善面粗糙度，也可以在线切割放电加工之后实施研磨加工等。不过，在螺母主体4的贯通孔的内径大的情况下，也可以不使用线切割放电加工，对于具有均匀的内周面的圆周状的螺母主体4，由切削加工或者研磨加工形成上述负荷直线槽31及无负荷直线槽32。 
另一方面，构成轨道槽30的滚珠偏向槽33被形成在上述端盖上。图5是从螺母主体4侧观察上述端盖5的立体图。在此端盖5的贯通孔的内周面上形成了U字状的滚珠偏向槽33，同时，形成了与花键轴1的滚珠滚动槽10经微小的间隙相向的密封突部50。另外，在端盖5的外周面上形成了与螺母主体4的键槽40连续的入口槽51，即使在将端盖5固定在螺母主体4上的状态下，也可以使键从螺母构件2的轴向滑入到螺母主体4的键槽40内。进而，在此端盖5上突出设置了对于螺母主体4进行的定位用支柱52，通过将这样的支柱52嵌合在螺母主体4的基准孔41上，端盖5能相对于螺母主体4正确地被定位，端盖5侧的滚珠偏向槽33和螺母主体4侧的负荷直线槽31及无负荷直线槽32能正确地被结合。 
上述端盖5因为具有复杂的形状，所以使用合成树脂的注射成形来制作。作为此外的制作方法，也可以使用金属注射成形(MIM成形)。另外，如果花键轴的外径大，端盖也大型化，则也可以由切削加工形成。 
另外，在图1中，虽然由螺母主体4及端盖5的组合构成了螺母构件2，但这是因为，在花键轴1的外径小的情况下，由切削加工或者研磨加工将滚珠偏向槽33形成在螺母构件2的内周面是困难的，如果花键轴1的外径充分大，由切削加工或者研磨加工将滚珠偏向槽33形成在螺母构件2的内周面上是容易的，则也可以由单一的金属材料制作上述螺母构件2。
图6是从花键轴1的轴向观察在上述轨道槽30内转动的滚珠3的放大图。在上述花键轴1上形成了与各滚珠滚动槽10邻接而平坦的滚珠诱导面11。此滚珠诱导面11与螺母构件2具备的滚珠偏向槽33相向地被设置在上述滚珠滚动槽10的单侧，是沿被形成为圆弧状的滚珠滚动槽10的切线方向形成的。而且，此滚珠诱导面11的与滚珠滚动槽10相反侧的端部，与以一定曲率形成的花键轴1的外周面12接续。 
这样的滚珠诱导面11，通过使用成形砂轮，可以对花键轴1与滚珠滚动槽10同时进行研磨加工，其结果，能够显著提高滚珠诱导面11和滚珠滚动槽10的连续性。 
通过形成与滚珠滚动槽10圆滑地连续的滚珠诱导面11，由滚珠偏向槽33遮挡了在花键轴1的滚珠滚动槽10内的滚动的滚珠3在其行进方向被改变的同时，沿上述滚珠诱导面11脱离滚珠滚动槽10，并将到达花键轴1的外周面12。然后，一边在滚珠偏向槽33内滚动，一边沿花键轴1的外周面12进入到无负荷直线槽32。图6中的单点划线表示滚珠偏向槽33内的滚珠3的转动轨迹L。由于滚珠3在负荷直线槽31和无负荷直线槽32之间即在滚珠偏向槽33的内部与上述滚珠诱导面11及花键轴1的外周面12接触，同时，沿它们移动，所以如此图所表明的那样，将滚珠偏向槽33内的滚珠3的转动轨迹L投影到花键轴1的与轴向垂直的截面上的轨迹，成为与和滚珠偏向槽33相向的部位中的花键轴1的轮廓(外形)一致的轨迹。 
因此，由于螺母构件2具备的滚珠3的无限循环路最大限度地接近花键轴1，所以在使螺母构件2具备滚珠3的无限循环路之际，可以减小这样的螺母构件2的壁厚，即螺母构件2的内径和外形之差，如果花键轴1的外径及使用的滚珠3的直径相同，就能够谋求螺母构件2的小径化。另外，如果将螺母构件2的外径作为基准来考虑，则能够按可以减薄这样的螺母构件2的壁厚的部分增大花键轴1的外径，能够谋求滚珠花键装置的容许载荷、刚性等的提高。 
另外，由于上述滚珠诱导面11沿被形成为圆弧状的滚珠滚动槽10的切线方向形成，与这样的滚珠滚动槽10圆滑地连续，所以在滚珠滚动槽10内滚动的滚珠3即使由滚珠偏向槽33强制地使其行进方向变化，也能够不会产生卡住地脱离滚珠滚动槽10而转移到滚珠诱导面11上，能够圆滑地进行负荷直线槽31和滚珠偏向槽33之间的滚珠3的往来。由此，在本发明的滚珠花键装置中，能够更圆滑地进行轨道槽30内的滚珠3的无限循环。 
另外，如果考虑轨道槽30内的滚珠3的无限循环的更加圆滑化，则对于上述滚珠诱导面11和花键轴1的外周面12的接续部，最好形成没有边界的圆滑的连续面。 

Claims (4)

1.一种滚珠花键装置，其特征在于，
由花键轴(1)和螺母构件(2)构成，上述花键轴(1)在外周面上沿轴向形成了滚珠滚动槽(10a、10b)，上述螺母构件(2)被形成为该花键轴(1)贯通的大致圆筒状，经多个滚珠(3)组装在上述花键轴(1)上，同时，在与上述花键轴(1)面对的内周面上具有上述滚珠(3)进行循环的轨道槽(30)，
上述轨道槽(30)由负荷直线槽(31)、无负荷直线槽(32)、一对滚珠偏向槽(33)构成，上述负荷直线槽(31)是与花键轴(1)的滚珠滚动槽(10a、10b)相向地形成的负荷直线槽，形成该滚珠的负荷通路；上述无负荷直线槽(32)与该负荷直线槽(31)平行地设置，同时，朝向花键轴(1)的外周面开放；上述一对滚珠偏向槽(33)连通地连结这些负荷直线槽(31)和无负荷直线槽(32)，在它们之间使滚珠(3)往来，同时，向上述花键轴(1)的外周面开放，
上述滚珠偏向槽(33)强制地使在上述花键轴(1)的滚珠滚动槽内滚动的滚珠(3)的行进方向变化，利用上述花键轴(1)的轮廓使滚珠(3)脱离上述滚珠滚动槽(10a、10b)，另一方面，与上述花键轴(1)的外周面共同地将脱离的滚珠(3)向上述无负荷直线槽(32)诱导，
在上述花键轴(1)的滚珠滚动槽(10a、10b)的一侧，在与上述螺母构件(2)的滚珠偏向槽(33)相向的部位上形成了滚珠诱导面(11)，此滚珠诱导面(11)与滚珠滚动槽(10a、10b)圆滑地连续。
2.如权利要求1所述的滚珠花键装置，其特征在于，在上述花键轴(1)上形成了2条为一对的偶数条的滚珠滚动槽(10a、10b)，各滚珠滚动槽在其与长度方向垂直的截面中的形状构成了圆弧状。
3.如权利要求1所述的滚珠花键装置，其特征在于，上述螺母构件(2)由形成了上述负荷直线槽(31)及无负荷直线槽(32)的螺母主体(4)、在形成上述滚珠偏向槽(33)的同时固定在上述螺母主体(4)的轴向的两端部上的一对端盖(5)构成。
4.如权利要求1所述的滚珠花键装置，其特征在于，上述螺母构件(2)由单一构件构成，在其内周面上形成了上述轨道槽(30)。
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